EP0415225A2 - Integriert optische Anordnung mit wenigstens einem auf einem Substrat aus Halbleitermaterial integrierten optischen Wellenleiter - Google Patents

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EP0415225A2
EP0415225A2 EP90115916A EP90115916A EP0415225A2 EP 0415225 A2 EP0415225 A2 EP 0415225A2 EP 90115916 A EP90115916 A EP 90115916A EP 90115916 A EP90115916 A EP 90115916A EP 0415225 A2 EP0415225 A2 EP 0415225A2
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EP
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doped
layer
rib
waveguide
undoped
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EP0415225B1 (de
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Gustav Dr. Müller
Lothar Dipl.-Phys. Stoll
Ulrich Dipl.-Phys. Wolff
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Siemens AG
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Definitions

  • Integrated optical arrangement with at least one optical waveguide integrated on a substrate made of semiconductor material Integrated optical arrangement with at least one optical waveguide integrated on a substrate made of semiconductor material.
  • the invention relates to an integrated optical arrangement with at least one optical waveguide integrated on a substrate made of semiconductor material.
  • Integrated optical arrangements with optical waveguides integrated on a substrate made of semiconductor material are, for example, optical switches or tunable filters which require waveguides in which the propagation constant of the mode guided in the waveguide can be varied by an electrical signal.
  • the change in the propagation constant can be changed by changing the effective refractive index of the waveguide either by injecting electrical charge carriers (plasma effect, see IOOC-ECOC, pp. 357-360, 1985) or by using an electrical field (electro-optic effects, see SPIE, Vol. 587, pp. 180-187, 1985) can be achieved.
  • integrated optical circuits In addition to passive waveguides, integrated optical circuits often contain such electrically controllable waveguides as well as active waveguides, such as lasers and amplifiers. The production and connection of these different elements on a common substrate complicates the production of such integrated optical circuits.
  • the object of the invention is to provide an integrated optical arrangement of the type mentioned in the introduction, in which the same waveguide can be used both as a passive waveguide and can be operated as an electrically controllable waveguide, this waveguide also being low-loss.
  • the waveguiding layer is not p-doped and the transition from p-doped to n-doped or undoped material is arranged at a distance from this waveguiding layer in such a way that the p-doped material on the side facing away from this layer Transition is arranged.
  • the rib waveguide according to the invention can advantageously be used both as a low-loss passive waveguide and as a low-loss electrically controllable waveguide when the pn or pin junction is electrically contacted.
  • a combination of passive waveguide and controllable waveguide can advantageously be produced with the same rib waveguide according to the invention in that the pn or pin transition extends over the entire length of the rib and in a predetermined section of this waveguide the transition is provided from the outside with electrical contacts becomes.
  • the non-contacted section of the ridge waveguide forms the low-loss passive and the contacted section forms the low-loss controllable waveguide, which can be controlled by applying an electrical signal to the contacts, depending on the polarity, by charge injection or by an electrical field.
  • the pn junction or pin junction is used in the case of charge carrier injection into the wave-guiding layer as a diode operated in the forward direction and in the case of utilizing the electro-optical effect as a diode operated in the reverse direction.
  • the waveguiding layer must be arranged between the differently doped materials of this transition.
  • the material of the one doping of the transition in the rib and the material of the other doping is contained in the substrate at least below the waveguiding layer. This has the advantage that the rib and the substrate can be provided with electrical contacts on the outside for contacting the transition.
  • the p-doped material is preferably contained in the rib and the n-doped material at least below the waveguiding layer in the substrate (claim 2).
  • the rib and the substrate consist of InP and the waveguiding layer consists of InGaAsP and in the distance between the transition from p- to n- or undoped material and the waveguiding layer, InGaAsP is one in comparison to the material of the waveguiding Contain layer lower refractive index (claim 3).
  • the arrangement according to the invention can also be formed in other semiconductor materials, for example in the GaAlAs / GaAs system.
  • the distance between the transition from the p- to the n- or undoped material from the waveguiding layer is advantageously chosen to be smaller than the diffusion length of electrical charge carriers to be induced in this layer (claim 4). This distance then advantageously has no significant influence on the carriers induced in the wave-guiding layer when using the charge carrier injection. It can also be achieved that the losses in a waveguide that runs at a small lateral distance of, for example, a few ⁇ m from the rib parallel to the rib waveguide are not significantly increased by free charge carriers. This is for the realization of ver low-lust optical switches, e.g. B. cheap in the form of integrated optical directional couplers.
  • the field extends in the area between the transition from p- to n-doped or undoped material and the waveguiding layer and into this layer itself, whereby it overlaps well with the fashion guided in the wave-guiding layer and that it extends only slightly, for example 1 ⁇ m, laterally beyond the edge of the rib, which gives good spatial resolution for the design of low-loss optical switches.
  • two ribbed waveguides running alongside one another in such a small distance in sections are integrated on the substrate that an optical mode guided in one ribbed waveguide can couple laterally into the other ribbed waveguide, each ribbed waveguide being separated by an n -doped or undoped waveguiding layer of the substrate and each consisting of a rib formed over this layer from the semiconductor material, wherein in the region of each rib waveguide above or below the waveguiding layer, a pn which can be contacted from the outside and extends over the entire length of the rib or pin junction is integrated such that the transition from p- to n- or undoped material at a distance from the waveguiding layer and with the p-doped material on the side of this junction facing away from this layer angs is arranged and wherein the pn or pin junction of at least one ribbed waveguide is contacted in sections (claim 5).
  • This configuration is extremely suitable for realizing low-loss optical switches in the form of integrated optical directional couplers and in the form of integrated optical Mach-Zehnder interferometers.
  • the pn or pin junction of at least one rib waveguide must be contacted in the coupling area for electrical control.
  • the Mach-Zehnder interferometer which has a phase shifter area arranged between two 3dB directional couplers, contacts can be attached both in the area of the couplers and in the phase shifter area.
  • An arrangement according to the invention with one or a structure composed of several waveguides can be produced in a simple manner in that an output body in the form of a substrate made of n-doped semiconductor material, on which an n-doped or undoped waveguiding layer, and an n-doped or undoped thereon Spacer layer and a layer of p-doped semiconductor material are applied, is used that the p-doped layer is removed down to the spacer layer in such a way that one or more ribs made of p-doped material remain, which define the structure or structures of rib waveguides that the ribs are covered with an electrically insulating layer in which a contact window is cut out for each rib to be contacted, and that an electrical contact electrode is applied to the ribs, which has a mating contact electrode applied to the n-doped substrate (claim 6) .
  • the integrated optical directional coupler according to Figures 1 and 2 consists in a generally known manner of the two integrated optical waveguides WL1 and WL2, which run in a coupling area L at such a small distance d that in this area L a guided optical mode from one to can couple over other waveguides.
  • a directional coupler can be operated as an optical switch by electrically controlled variation of the effective refractive index of at least one waveguide.
  • the waveguides WL1 and WL2 are rib waveguides according to the invention, each with a pn or pin junction extending over the entire length of the rib in question, which is electrically contacted in the coupling region L.
  • Both rib waveguides are dimensioned, for example, so that they have the same effective refractive index, and the length of the coupling region L is chosen such that one in a waveguide, for example the Waveguide WL1, coupled light power P in in coupling area L is completely coupled into the other waveguide WL2 and can be taken from it as output power P out (see FIG. 1).
  • the effective refractive index of the waveguide WL2 in question is induced by charge carriers or fields to such an extent that the input power P in is not overcoupled from the waveguide WL1 into the waveguide WL2.
  • the input power P in the waveguide WL1 can be taken off as the output power P out and the directional coupler is thereby switched to the other switching state (FIG. 2).
  • the integrated optical Mach-Zehnder interferometer shown in FIG. 3 consists of two 3dB directional couplers RK1 and RK2, between which a phase shifter section PSA is arranged.
  • the special feature is that the two waveguides WL1 and WL2 are ribbed waveguides according to the invention, each with a pn or pin transition extending over the entire length of the rib in question, which makes electrical contact, for example, in the coupling area of the directional coupler RK1 and / or phase shift area PSA is.
  • the contact electrodes applied to the ribs of the rib waveguide are designated K1 to K4 in FIG.
  • the n-doped substrate 5 made of InP has a less n-doped buffer layer PS made of InP, on which a waveguiding layer wS made of InGaAsp is applied is.
  • This layer wS should be undoped if possible. In practice, this cannot be achieved or can only be achieved with difficulty for manufacturing reasons and an unwanted doped layer wS must be taken into account. This doping should be as small as possible an n-doping and should never be a p-doping.
  • the layer wS is provided with a spacer layer AS made of InGaAsP, which should also be undoped or, for the same reasons as for the wave-guiding layer wS, should be as little as possible n-doped, but must never be p-doped.
  • This spacing layer AS must have a lower refractive index than the wave-guiding layer wS.
  • P-doped ribs R1 and R2 made of InP are applied to the spacer layer AS, the longitudinal direction of which is perpendicular to the plane of the drawing.
  • Each rib R1 or R2 together with the underlying waveguiding layer wS defines a waveguide WL1 or WL2, the cross-sectional area of which is delimited approximately by the closed curve E1 or E2, i.e. a guided optical mode is guided essentially within the curve E1 or E2 concerned and in the wave-guiding layer wS.
  • transition U1 or U2 from the p-doped material of the rib R1 or R2 to the n-doped or undoped material of the spacer layer AS is arranged at the distance D from the waveguiding layer wS corresponding to the thickness of this layer AS.
  • each rib R1 and R2 has a p+-doped layer KS1 or KS2 made of InGaAs on the top, on which a layer MS1 or MS2 made of metal is applied.
  • this layer MS1 or MS2 is in contact with a metal contact electrode K1 or K2 applied to the electrically insulating layer IS.
  • the counter electrode K to these contact electrodes K1 and K2 is applied to the underside of the n-doped substrate S.
  • the distance between the waveguides WL1 and WL2 is substantially equal to the distance d between the ribs R1 and R2.
  • the thickness of the n-doped substrate S is approximately 100 ⁇ m and its n-doping is approximately 5.1018 / cm3.
  • the buffer layer PS has a thickness of about 3 microns and an n-doping of about 1017 / cm3.
  • the wave-guiding layer wS and the spacer layer AS each have a thickness of approximately 0.4 ⁇ m and each have an n-doping of at most approximately 1016 / cm3.
  • the quaternary material of the waveguiding layer wS has a gap wavelength ⁇ g of approximately 1.30 ⁇ m, that of the spacer layer AS has a gap wavelength ⁇ g of approximately 1.05 ⁇ m.
  • Each rib R1 and R2 has a thickness of approximately 1.5 ⁇ m, a width of approximately 3 ⁇ m and a p-doping of approximately 2.1017 / cm. Their distance d in the coupling area L is about 3 ⁇ m. The thickness of each p+-doped layer KS1 and KS2 is about 0.2 microns and their p+-doping is greater than 1019 / cm.
  • Each layer MS1 and MS2 made of metal consists of Ti / Pt or Ti / Au, each contact electrode K1 and K2 made of Au or Ti / Au and the counter electrode K made of AuGe / Ni / Au.
  • the electrically insulating layer IS consists of Al2O3.
  • the coupling area L is approximately 980 ⁇ m long and the total length of the directional coupler is approximately 2 mm.
  • the lateral offset e of the waveguides (see FIG. 1) is approximately 20 ⁇ m and their radius of curvature r 10 mm.
  • the lateral effective refractive index difference ⁇ n eff of each waveguide is approximately 5.10 ⁇ 3.
  • the specific exemplary embodiment can be operated, for example, with an operating wavelength ⁇ of approximately 1.56 ⁇ m and with an extremely low operating current of approximately 4 mA and has an insertion loss of only approximately 1.3 dB in both switching states.
  • n-doped substrate S made of InP in the form of a wafer with a less n-doped buffer layer PS on the upper side the wave-guiding layer wS made of InGaAsP, the spacing layer AS, is successively formed using liquid phase epitaxy from InGaAsP and a p-doped layer R from InP.
  • a p+-doped layer KS made of InGaAs is produced on the surface of the layer R.
  • the substrate S is then brought down to a thickness of approximately 100 ⁇ m.
  • K AuGe / Ni / Au is evaporated and alloyed to form the counter electrode.
  • An approximately 15 nm thin layer of Ti and an approximately 500 nm thin layer of Pt or Au are applied to the p Pt-doped layer KS to form a layer MS of metal, with which the p-contact is formed.
  • the ribs R1 and R2 of the rib waveguide are produced by first removing the material by means of ions, in which both the thin layer MS made of metal and the p such-doped layer KS are severed.
  • photoresist can be used as a mask because the etching depth is only 0.3 ⁇ m.
  • the exposed p-doped InP material is then removed down to the spacer layer AS by wet chemical etching. In this case, selective etching takes place, the etching process advantageously coming to a standstill on the spacing layer AS functioning as an etching stop layer, and ribs with almost vertical side walls remain when these are aligned in the [011] direction.
  • FIG. 5b shows a fragmentary view of the intermediate stage created after this process step, only the rib R1 being shown, for example.
  • an approximately 0.3 micron thick insulating layer IS made of Al2O3 is sputtered onto the rib-side substrate surface to isolate the ribs against the contact electrodes.
  • contact windows approximately 1 ⁇ m wide, including the contact window O2 are opened using projection lithography and chemical etching.
  • a layer of Au or Ti / Au are thermally evaporated and the contact electrodes, including the contact electrode K2, are structured therefrom by a lifting process.
  • the final stage shown in FIG. 5c was created, which forms the finished directional coupler.

Abstract

Verlustarme passive und elektrisch steuerbare optische Wellenleiter auf einem gemeinsamen Substrat aus Halbleitermaterial und ihren Verbindung sollen möglichst einfach hergestellt werden können. Dazu wird ein durch eine Rippe (R1, R2) und eine wellenleitende Schicht (wS) des Substrats (S) definierter Rippenwellenleiter verwendet, in dessen Bereich ein pn- oder pin- Übergang vorgesehen ist, bei dem der Übergang (Ü1, Ü2) von p-dotiertem zu n-dotiertem oder undotiertem Material in einem Abstand (D) von der wellenleitenden Schicht (wS) und das p-dotierte Material auf der von dieser Schicht (wS) abgekehrten Seite dieses Übergangs (Ü1, Ü2) angeordnet ist. Herstellung integriert optischer Schalter, abstimmbare integriert optische Filter

Description

  • Integriert optische Anordnung mit wenigstens einem auf einem Substrat aus Halbleitermaterial integrierten optischen Wellenleiter.
  • Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentan­spruchs 1 eine integriert optische Anordnung mit wenigstens einem auf einem Substrat aus Halbleitermaterial integrierten optischen Wellenleiter.
  • Integriert optische Anordnungen mit auf einem Substrat aus Halbleitermaterial integrierten optischen Wellenleitern sind beispielsweise optische Schalter oder abstimmbare Filter, die Wellenleiter benötigen, in denen die Ausbreitungskonstante des in dem Wellenleiter geführten Modes durch ein elektrisches Signal variiert werden kann. Die Änderung der Ausbreitungs­konstante kann durch die Änderung der effektiven Brechzahl des Wellenleiters entweder durch Injektion von elektrischen La­dungsträgern (plasma effect, siehe IOOC-ECOC, S. 357-360, 1985) oder durch Verwendung eines elektrischen Feldes (electro-optic-effects, siehe SPIE, Vol. 587, S. 180-187, 1985) erreicht werden.
  • Ingetrierte optische Schaltkreise enthalten neben passiven Wellenleitern vielfach solche elektrisch steuerbare Wellen­leiter sowie aktive Wellenleiter, wie Laser und Verstärker. Die Herstellung und Verbindung dieser verschiedenen Elemente auf einem gemeinsamen Substrat erschwert die Herstellung solcher integrierten optischen Schaltkreise.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine integriert optische Anord­nung der eingangs genannten Art anzugeben, bei welcher der­selbe Wellenleiter sowohl als passiver Wellenleiter verwendbar als auch als elektrisch steuerbarer Wellenleiter betreibbar ist, wobei dieser Wellenleiter überdies verlustarm ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Es ist bekannt, daß in optischen Wellenleitern auf Halbleiter­material Verluste hauptsächlich durch p-dotiertes Material erzeugt werden (siehe IEEE Journ. Quant. Electron. QU-19, S. 947-952, 1983). Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist die wellenleitende Schicht nicht p-dotiert und der Übergang von p-dotiertem zu n-dotiertem oder undotiertem Material ist der­art mit Abstand von dieser wellenleitenden Schicht angeordnet, daß das p-dotierte Material auf der von dieser Schicht abge­kehrten Seite dieses Übergangs angeordnet ist. Dies hat eine niedrigere Überlappung zwischen dem in der wellenleiten­den Schicht geführten optischen Mode und dem verlustbringenden p-dotierten Material und damit eine beträchtliche Reduzierung der Verluste der wellenleitenden Schicht zur Folge.
  • Der erfindungsgemäße Rippenwellenleiter ist vorteilhafterweise sowohl als verlustarmer passiver Wellenleiter verwendbar, als auch als verlustarmer elektrisch steuerbarer Wellenleiter be­treibbar, wenn der pn- bzw. pin-Übergang elektrisch kontak­tiert wird. Es läßt sich vorteilhafterweise mit demselben erfindungsgemäßen Rippenwellenleiter eine Kombination aus passivem Wellenleiter und steuerbarem Wellenleiter dadurch herstellen, daß sich der pn-oder pin-Übergang über die ganze Länge der Rippe erstreckt und in einem vorbestimmten Abschnitt dieses Wellenleiters der Übergang von außen mit elektrischen Kontakten versehen wird. Der nicht kontaktierte Abschnitt des Rippenwellenleiters bildet den verlustarmen passiven und der kontaktierte Abschnitt den verlustarmen steuerbaren Wellen­leiter, der durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Kontakte je nach Polung durch Ladungsträgerinjektion oder durch ein elektrisches Feld steuerbar ist. Dadurch werden die bei der Herstellung integriert optischer Schaltkreise mit aktiven Wellenleitern, elektrisch steuerbaren Wellenleitern und passiven Wellenleitern notwendigen technischen Erforder­nisse entscheidend reduziert.
  • Der pn-Übergang bzw. pin-Übergang wird im Fall der Ladungs­trägerinjektion in die wellenleitende Schicht als eine in Durchlaßrichtung betriebene Diode und im Fall der Ausnutzung des elektrooptischen Effekts als eine in Sperrichtung betrie­bene Diode verwendet. Damit dies möglich ist, muß die wellen­leitende Schicht zwischen den verschieden dotierten Materia­lien dieses Übergangs angeordnet sein. Der Einfachheit halber ist das Material der einen Dotierung des Übergangs in der Rippe und das Material der anderen Dotierung zumindest unter­halb der wellenleitenden Schicht im Substrat enthalten. Dies hat den Vorteil, daß zur Kontaktierung des Übergangs die Rippe und das Substrat außen mit elektrischen Kontakten versehen werden können. Bevorzugterweise ist das p-dotierte Material in der Rippe und das n-dotierte Material zumindest unterhalb der wellenleitenden Schicht im Substrat enthalten (Anspruch 2).
  • Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen An­ordnung besteht die Rippe und das Substrat aus InP und die wellenleitende Schicht aus InGaAsP und im Abstand zwischen dem Übergang von p- zu n- oder undotiertem Material und der wellenleitenden Schicht ist InGaAsP mit einer im Vergleich zum Material der wellenleitenden Schicht kleineren Brechzahl enthalten (Anspruch 3). Die erfindungsgemäße Anordnung kann auch in anderen Halbleitermaterialien, beispielsweise im System GaAlAs/GaAs ausgebildet sein.
  • Vorteilhafterweise ist der Abstand zwischen dem Übergang vom p- zum n- oder undotierten Material von der wellenleitenden Schicht kleiner als die Diffusionslänge von in diese Schicht zu induzierenden elektrischen Ladungsträgern gewählt (An­spruch 4). Dieser Abstand hat dann vorteilhafterweise bei Ver­wendung der Ladungsträgerinjektion keinen wesentlichen Einfluß auf die in die wellenleitende Schicht induzierten Träger. Auch kann dadurch erreicht werden, daß die Verluste in einem Wellenleiter, der in einem geringen seitlichen Abstand von beispielsweise einigen um von der Rippe parallel zum Rippen­wellenleiter verläuft, durch freie Ladungsträger nicht er­heblich erhöht werden. Dies ist für die Realisierung von ver­ lustarmen optischen Schaltern, z. B. in Form von integriert optischen Richtkopplern günstig.
  • Im Fall der Steuerung durch ein elektrisches Feld wird bei der Maßgabe nach Anspruch 4 vorteilhafterweise erreicht, daß sich das Feld in dem Bereich zwischen dem Übergang von p- zu n-­dotiertem oder undotiertem Material und der wellenleitenden Schicht sowie in diese Schicht selbst erstreckt, wobei es sich gut mit dem in der wellenleitenden Schicht geführten Mode überlappt und daß es sich nur geringfügig, beispielsweise 1 µm, seitlich über den Rand der Rippe hinaus erstreckt, wodurch eine gute räumliche Auflösung für den Entwurf von verlustarmen optischen Schaltern gegeben ist.
  • Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich ausgezeichnet verlustarme optische Schalter realisieren, wenn zwei erfin­dungsgemaße Rippenwellenleiter verwendet werden, in denen ein geführter optischer Mode adiabatisch von einem Wellen­leiter zum anderen gekoppelt wird.
  • Gemäß einer bevorzugten und als optischer Schalter verwendba­ren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung sind auf dem Substrat zwei abschnittsweise in einem derart geringen Abstand nebeneinander verlaufende Rippenwellenleiter integriert, daß ein in einem Rippenwellenleiter geführter optischer Mode seitlich in den anderen Rippenwellenleiter überkoppeln kann, wobei jeder Rippenwellenleiter durch eine n-dotierte oder undotierte wellenleitende Schicht des Substrats und aus je­weils einer über dieser Schicht ausgebildeten Rippe aus dem Halbleitermaterial besteht, wobei im Bereich jedes Rippen­wellenleiters ober- oder unterhalb der wellenleitenden Schicht je ein von außen kontaktierbarer, über die ganze Länge der Rippe sich erstreckender pn- oder pin-Übergang derart inte­griert ist, daß der Übergang von p- zu n- oder undotiertem Material in einem Abstand von der wellenleitenden Schicht und mit dem p-dotierten Material auf der von dieser Schicht ab­gekehrten Seite dieses Übergangs angeordnet ist und wobei der pn- oder pin-Übergang wenigstens eines Rippenwellenleiters abschnittsweise kontaktiert ist (Anspruch 5).
  • Diese Ausgestaltung ist zur Realisierung verlustarmer opti­scher Schalter in Form von integriert optischen Richtkopplern und in Form von integriert optischen Mach-Zehnder-Interfero­metern hervorragend geeignet. Beim Richtkoppler muß der pn- oder pin-Übergang wenigstens eines Rippenwellenleiters im Koppelbereich zur elektrischen Steuerung kontaktiert sein. Beim Mach-Zehnder-Interferometer, das einen zwischen zwei 3dB-­Richtkopplern angeordneten Phasenschieberbereich aufweist, können Kontakte sowohl im Bereich der Koppler als auch im Phasenschieberbereich angebracht werden.
  • Eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem oder einer Struktur aus mehreren Wellenleitern läßt sich auf einfache Weise da­durch herstellen, daß ein Ausgangskörper in Form eines Sub­strats aus n-dotiertem Halbleitermaterial, auf dem eine n-­dotierte oder undotierte wellenleitende Schicht, darauf eine n-dotierte oder undotierte Abstandsschicht und darauf eine Schicht aus p-dotiertem Halbleitermaterial aufgebracht sind, verwendet wird, daß die p-dotierte Schicht bis auf die Ab­standsschicht derart abgetragen wird, daß eine oder mehrere Rippen aus p-dotiertem Material stehenbleiben, welche den oder die Struktur aus Rippenwellenleitern definieren, daß die Rippen mit einer elektrisch isolierenden Schicht abgedeckt werden, in der für jede zu kontaktierende Rippe ein Kontakt­fenster ausgespart wird, und daß auf die Rippen eine elek­trische Kontaktelektrode aufgebracht wird, die eine auf dem n-dotierten Substrat aufgebrachte Gegenkontaktelekrode hat (Anspruch 6).
  • Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Anordnung in Form eines integriert optischen Richtkopplers, der als optischer Schalter verwendbar ist,
    • Figur 2 die erfindungsgemäße Anordnung nach Figur 1 in der­selben Darstellung, aber im umgeschalteten Zustand,
    • Figur 3 eine Draufsicht auf eine schematisch dargestellte erfindungsgemäße Anordnung in Form eines integriert optischen Mach-Zehnder-Interferometers, das eben­falls als optischer Schalter verwendbar ist,
    • Figur 4 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Figur 1 längs der Linie III - III, die detailliert den Aufbau der erfindungsgemäßen Rippenwellenleiter und die Lage des pn- bzw. pin-Übergangs in Bezug auf die wellenleitende Schicht zeigt, und
    • die Figuren 5a bis 5c bruchstückhaft und im Querschnitt einen Ausgangskörper, eine Zwischenstufe bzw. eine Endstufe, wie sie bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einem Rippenwellenleiter und einem pn-­bzw. pin-Übergang entstehen.
  • Der integriert optische Richtkoppler nach Figur 1 und 2 besteht in allgemein bekannter Weise aus den beiden inte­grierten optischen Wellenleitern WL1 und WL2, die in einem Koppelbereich L in einem so geringen Abstand d nebeneinander verlaufen, daß in diesem Bereich L ein geführter optischer Mode von einem zum anderen Wellenleiter überkoppeln kann. Durch elektrisch gesteuerte Variation der effektiven Brech­zahl wenigstens eines Wellenleiters kann ein solcher Richt­koppler bekanntermaßen als optischer Schalter betrieben werden.
  • Die Besonderheit dieses Richtkopplers liegt darin, daß die Wellenleiter WL1 und WL2 erfindungsgemäße Rippenwellenleiter mit jeweils einem über die ganze Länge der betreffenden Rippe sich erstreckenden pn- oder pin-Übergang sind, der im Koppel­bereich L elektrisch kontaktiert ist. Beide Rippenwellenleiter sind beispielsweise so dimensioniert, daß sie die gleiche effektive Brechzahl haben, und die Länge des Koppelbereichs L ist so gewählt, daß eine in einem Wellenleiter, z.B. den Wellenleiter WL1, eingekoppelte Lichtleistung Pin im Koppel­bereich L vollständig in den anderen Wellenleiter WL2 überkoppelt und aus diesem als Ausgangsleistung Pout entnehm­bar ist (siehe Figur 1).
  • Durch Anlegen eines bestimmten elektrischen Signals an die Kontaktelektrode K2 des Wellenleiters WL2 wird die effektive Brechzahl des betreffenden Wellenleiters WL2 ladungsträger- oder feldinduziert soweit verändert, daß keine Überkopplung der Eingangsleistung Pin vom Wellenleiter WL1 in den Wellen­leiter WL2 stattfindet. In diesem Fall ist die Eingangslei­stung Pin dem Wellenleiter WL1 als Ausgangsleistung Pout entnehmbar und dadurch der Richtkoppler in den anderen Schaltzustand umgeschaltet (Figur 2).
  • Das in der Figur 3 dargestellte integriert optische Mach-­Zehnder-Interferometer besteht aus zwei 3dB-Richtkopplern RK1 und RK2, zwischen denen ein Phasenschieberabschnitt PSA an­geordnet ist. Auch hier liegt die Besonderheit darin, daß die beiden Wellenleiter WL1 und WL2 erfindungsgemäße Rippenwellen­leiter mit jeweils einem über die ganze Länge der betreffenden Rippe sich erstreckenden pn- oder pin-Übergang sind, der bei­spielsweise im Koppelbereich des Richtkopplers RK1 und/oder Phasenschieberbereich PSA elektrisch kontaktiert ist. Die auf den Rippen der Rippenwellenleiter aufgebrachten Kontaktelek­troden sind in der Figur 3 mit K1 bis K4 bezeichnet.
  • Nach dem in Figur 4 stellvertretend für andere erfindungsge­mäße Anordnungen gezeigten detaillierten Aufbau des Richt­kopplers nach den Figuren 1 und 2 weist das n-dotierte Sub­strat 5 aus InP eine geringer n-dotierte Pufferschicht PS aus InP auf, auf der eine wellenleitende Schicht wS aus InGaAsp aufgebracht ist. Diese Schicht wS sollte möglichst undotiert sein. In der Praxis läßt sich dies aus herstellungstechnischen Gründen nicht oder nur schwer erreichen und es muß mit einer ungewollt dotierten Schicht wS vorlieb genommen werden. Diese Dotierung sollte eine möglichst geringe n-Dotierung sein und darf keinesfalls eine p-Dotierung sein. Auf der wellenleiten­ den Schicht wS ist eine Abstandsschicht AS aus InGaAsP aufgebracht, die ebenfalls undotiert oder aus den gleichen Gründen wie bei der wellenleitenden Schicht wS allenfalls moglichst gerinfügig n-dotiert sein sollte, keinesfalls aber p-dotiert sein darf. Diese Abstandsschicht AS muß eine klei­nere Brechzahl aufweisen als die wellenleitende Schicht wS.
  • Auf der Abstandsschicht AS sind p-dotierte Rippen R1 und R2 aus InP aufgebracht, deren Längsrichtung senkrecht zur Zei­chenebene ist. Jede Rippe R1 bzw. R2 definiert zusammen mit der darunterliegenden wellenleitenden Schicht wS einen Wellen­leiter WL1 bzw. WL2, dessen Querschnittsbereich etwa durch die geschlossene Kurve E1 bzw. E2 begrenzt ist, d.h. ein geführter optische Mode wird im wesentlichen innerhalb der betreffenden Kurve E1 bzw. E2 und in der wellenleitenden Schicht wS ge­führt.
  • Der Übergang Ü1 bzw. Ü2 vom p-dotierten Material der Rippe R1 bzw. R2 zum n-dotierten oder undotierten Material der Abstands­schicht AS ist in dem der Dicke dieser Schicht AS entsprechen­den Abstand D von der wellenleitenden Schicht wS angeordnet.
  • Auf jeder Rippe R1 und R2 ist eine elektrisch isolierende Schicht IS aufgebracht, in der zumindest dort, wo die Rippe R1 bzw. R2 elektrisch zu kontaktieren ist, ein Kontaktfenster O1 bzw. O2 ausgespart ist. Zur besseren Kontaktierung weist jede Rippe R1 und R2 an der Oberseite eine p⁺-dotierte Schicht KS1 bzw. KS2 aus InGaAs auf, auf der eine Schicht MS1 bzw. MS2 aus Metall aufgebracht ist. Diese Schicht MS1 bzw. MS2 steht im Bereich des betreffenden Kontaktfensters O1 bzw. O2 mit einer auf die elektrisch isolierende Schicht IS aufgebrachten Kon­taktelektrode K1 bzw. K2 aus Metall in Kontakt. Die Gegen­elektrode K zu diesen Kontaktelektroden K1 und K2 ist auf der Unterseite des n-dotierten Substrats S aufgebracht. Der Abstand zwischen den Wellenleitern WL1 und WL2 ist im wesent­lichen gleich dem Abstand d zwischen den Rippen R1 und R2.
  • Bei einem bevorzugten konkreten Ausführungsbeispiel der Anord­nung nach Figur 4 beträgt die Dicke des n-dotierten Substrats S etwa 100 µm und seine n-Dotierung etwa 5.10¹⁸/cm³. Die Puf­ferschicht PS hat eine Dicke von etwa 3 µm und eine n-Dotie­rung von etwa 10¹⁷/cm³. Die wellenleitende Schicht wS und die Abstandsschicht AS haben jeweils eine Dicke von etwa 0,4 µm und Jeweils eine n-Dotierung von höchstens etwa 10¹⁶/cm³. Das quaternäre Material der wellenleitenden Schicht wS hat eine Gap-Wellenlänge λg von etwa 1,30 µm, das der Abstandsschicht AS eine Gap-Wellenlänge λg von etwa 1,05 µm. Jede Rippe R1 und R2 weist eine Dicke von etwa 1,5 µm, eine Breite von etwa 3 µm und eine p-Dotierung von etwa 2.10¹⁷/cm auf. Ihr Abstand d im Koppelbereich L beträgt 3 etwa µm. Die Dicke jeder p⁺-dotierten Schicht KS1 und KS2 beträgt etwa 0,2 µm und ihre p⁺-Dotierung ist größer als 10¹⁹/cm. Jede Schicht MS1 und MS2 aus Metall besteht aus Ti/Pt oder Ti/Au, jede Kontaktelektrode K1 und K2 aus Au oder Ti/Au und die Gegenelektrode K aus AuGe/Ni/Au. Die elektrisch isolierende Schicht IS besteht aus Al₂O₃.
  • Der Koppelbereich L ist etwa 980 µm lang und die Gesamtlänge des Richtkopplers beträgt etwa 2 mm. Der seitliche Versatz e der Wellenleiter (siehe Figur 1) beträgt etwa 20 µm und ihr Krümmungsradius r 10 mm. Die laterale effektive Brechzahl­differenz Δneff jedes Wellenleiters beträgt etwa 5.10⁻³.
  • Das konkrete Ausführungsbeispiel kann beispielsweise mit einer Betriebswellenlänge λ von etwa 1,56 µm und mit einem extrem niedrigen Betriebsstrom von etwa 4 mA betrieben werden und weist in beiden Schaltzuständen einen Einfügeverlust von nur etwa 1,3 dB auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer erfin­dungsgemäßen Anordnung wird am Beispiel der Herstellung des vorstehend beschriebenen konkreten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren 5a bis 5c näher beschrieben.
  • Der in Figur 5a bruchstückhaft dargestellte Ausgangskörper wird wie folgt hergestellt: Auf ein n-dotiertes Substrat S aus InP in Form eines Wafers mit einer geringer n-dotierten Pufferschicht PS an der Oberseite werden mittels Flüssig­phasenepitaxie nacheinander die wellenleitende Schicht wS aus InGaAsP, die Abstandsschicht AS aus InGaAsP und eine p-do­tierte Schicht R aus InP aufgewachsen. An der Oberfläche der Schicht R wird eine p⁺-dotierte Schicht KS aus InGaAs erzeugt. Danach wird das Substrat S auf etwa 100 µm Dicke herunter­gebracht. Auf der Unterseite des Substrats S wird zur Bildung der Gegenelektrode K AuGe/Ni/Au aufgedampft und legiert. Auf die p⁺-dotierte Schicht KS wird zur Bildung einer Schicht MS aus Metall eine etwa 15 nm dünne Schicht aus Ti und eine etwa 500 nm dünne Schicht aus Pt oder Au aufgebracht, mit denen der p-Kontakt gebildet wird.
  • Die Rippen R1 und R2 der Rippenwellenleiter werden dadurch hergestellt, daß zunächst ein Materialabtrag mittels Ionen vorgenommen wird, bei dem sowohl die dünne Schicht MS aus Metall als auch die p⁺-dotierte Schicht KS durchtrennt wird. Bei diesem Prozeßschritt kann Photoresist als Maske verwendet werden, weil die Ätztiefe nur 0,3 µm beträgt. Dann wird das freigelegte p-dotierte InP-Material durch naßchemisches Ätzen bis auf die Abstandsschicht AS herab entfernt. Dabei wird selektiv geätzt, wobei der Ätzvorgang vorteilhafterweise an der als Ätzstoppschicht fungierenden Abstandsschicht AS von selbst zum stehen kommt und Rippen mit nahezu vertikalen Seitenwänden stehenbleiben, wenn diese längs der [011]-Rich­tung ausgerichtet sind. Die Figur 5b zeigt bruchstückhaft die nach diesem Verfahrensschritt entstandene Zwischenstufe, wobei beispielsweise nur die Rippe R1 gezeigt ist.
  • Danach wird eine etwa 0,3 µm dicke Isolierschicht IS aus Al₂O₃ auf die rippenseitige Substratoberfläche zum Isolieren der Rippen gegen die Kontaktelektroden aufgesputtert. Auf der Oberseite der Rippen werden Kontaktfenster von etwa 1 µm Breite, darunter das Kontaktfenster O2, mittels Projektions­lithographie und chemischen Ätzens geöffnet. Dann wird auf die Isolierschicht IS und die in den Kontaktfenstern freiliegende Schicht aus Ti/Pt, darunter die Schicht MS2, eine Schicht aus Au oder Ti/Au thermisch aufgedampft und daraus die Kontakt­elektroden, darunter die Kontaktelektrode K2 durch einen Ab­hebeprozeß strukturiert. Nach diesem Verfahrensschritt ist die in Figur 5c bruchstückhaft dargestellte Endstufe entstanden, die den fertigen Richtkoppler bildet.

Claims (6)

1. Integriert-optische Anordnung mit wenigstens einem auf einem Substrat (S) aus Halbleitermaterial integrierten strei­fenförmigen optischen Wellenleiter (WL1, WL2), dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (WL1, WL2) aus einem durch eine undotierte oder n-dotierte wellen­leitende Schicht (wS) des Substrats (S) und eine über dieser Schicht (wS) ausgebildete Rippe (R1, R2) aus dem Halbleiter­material definierten Rippenwellenleiter (wS, R1; wS, R2) be­steht, und daß im Bereich des Rippenwellenleiteres (wS, R1; wS, R2) ober- oder unterhalb der wellenleitenden Schicht (wS) ein von außen kontaktierbarer Übergang von p-dotiertem zu n-dotiertem Material (pn-Überang) oder von p- zu undotiertem und von undotiertem zu n-dotiertem Material (pin-Übergang) derart integriert ist, daß der Übergang (Ü1, Ü2) vom p-dotier­ten zum n-dotierten oder undotierten Material in einem Abstand (D) von der wellenleitenden Schicht (wS) und das p-dotierte Material auf der von dieser Schicht (wS) abgekehrten Seite dieses Übergangs (Ü1, Ü2) angeordnet ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß das p-dotierte Material in der Rippe (R1, R2) und das n-dotierte Material zumindest unterhalb der wellenleitenden Schicht (wS) im Substrat (S) enthalten ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­kennzeichnet, daß die Rippe (R1, R2) und das Substrat (S) aus InP und die wellenleitende Schicht (wS) aus InGaAsP besteht, und daß im Abstand (D) zwischen dem Übergang (Ü1, Ü2) vom p-dotierten zum n-dotierten oder undotierten Material und der wellenleitenden Schicht (wS) InGaAsP mit einer im Vergleich zum Material der wellenleitenden Schicht (wS) kleineren Brechzahl enthalten ist.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Übergang (Ü1, Ü2) vom p-dotierten zum n-dotierten oder undotierten Material von der wellenleitenden Schicht (wS) kleiner als die Diffusionslänge von in diese Schicht (wS) zu induzierenden elektrischen Ladungsträgern gewählt ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Substrat (S) zwei abschnittsweise in einem derart geringen Abstand (D) nebeneinander verlaufende Rippenwellenleiter (WL1, WL2) integriert sind, daß ein in einem Rippenwellenleiter (WL1 oder WL2) geführter optischer Mode seitlich in den anderen Rippenwellenleiter (WL2 bzw. WL1) überkoppeln kann, wobei Jeder Rippenwellenleiter (WL1, WL2) durch eine n-dotierte oder undotierte wellenleitende Schicht (wS) des Substrats (S) und durch jeweils eine über dieser Schicht (wS) ausgebildeten Rippe (R1 bzw. R2) aus dem Halbleitermaterial definiert ist, wobei im Bereich jedes Rippenwellenleiters (WL1, WL2) ober- oder unterhalb der wellenleitenden Schicht (wS) je ein von außen kontaktierbarer, über die ganze Länge der Rippe (R1 bzw. R2) sich erstreckender pn- oder pin-Übergang derart integriert ist, daß der Übergang (Ü1 bzw. Ü2) vom p-dotierten zum n-do­tierten oder undotierten Material in einem Abstand (D) von der wellenleitenden Schicht (wS) und das p-dotierte Material auf der von dieser Schicht (wS) abgekehrten Seite dieses Übergangs (Ü1 bzw. Ü2) angeordnet ist, und wobei der pn- oder pin-Übergang wenigstens eines Rippenwellenleiters (WL1, WL2) abschnittsweise kontaktiert ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer Anordnung nach Anspruch 2 oder Anspruch 2 und einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ausgangskörper in Form eines Substrats (5) aus n-dotiertem Halbleitermaterial, auf dem einem eine n-dotierte oder un­dotierte wellenleitende Schicht (wS), darauf eine n-dotierte oder undotierte Abstandsschicht (AS) und darauf eine Schicht (R) aus P-dotiertem Halbleitermaterial aufgebracht sind, verwendet wird, daß die p-dotierte Schicht (R) bis auf die Abstandsschicht (AS) derart abgetragen wird, daß eine oder mehrere Rippen (R1, R2) aus p-dotiertem Material stehen bleiben, welche den oder die Struktur aus Rippenwellenleitern (WL1, WL2) definieren, daß die Rippen (R1, R2) mit einer elektrisch isolierenden Schicht (IS) abgedeckt werden, in der für jede zu kontaktierende Rippe (R1, R2) ein Kontaktfenster (O1, O2) ausgespart wird, und daß auf die Rippen (R1, R2) eine elektrische Kontaktelektrode (K1, K2) aufgebracht wird, die eine auf dem n-dotierten Substrat (S) aufgebrachte Gegenkon­taktelektrode (K) hat.
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